永磁同步电机两种磁场定向控制策略的比较

２．１ 矢量控制 ＦＯＣ［２］
控制定子磁链的幅值和旋转方向。而定子电压矢量
在 ｄ，ｑ 坐标系中，ＰＭＳＭ 电压方程通常表示为：
!# ｕｄ＝Ｒｓｉｄ＋Ｌｄ
ｄｉｄ ｄｔ
－ !"ｑ
" $# ｕｑ＝Ｒｓｉｑ＋Ｌｑ
ｄｉｑ ｄｔ
＋!"ｄ
（１）
式中 ｕｄ，ｕｑ— ——定子电压 ｄ，ｑ 轴分量
ｉｄ，ｉｑ—— —定子电流 ｄ，ｑ 轴分量
１引言
永磁同步电机（ＰＭＳＭ）有很多优点［１］，如转矩纹 波系数小、动态响应快、运行平稳、过载能力强，很适 合在负载转矩变化较大的情况下使用；功率因数高， 长期使用节能效果明显，等等。因此，它在交流传动 领域的应用非常广泛，对其高性能控制策略的研究 也成为众多学者关注的焦点。
近几十年，为了满足工业发展对传动控制技术 的需要，高性能的交流传动控制策略不断出现，其 中 ， 最 具 代 表 性 的 就 是 矢 量 控 制（Ｆｉｅｌｄ－Ｏｒｉｅｎｔｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ，简称 ＦＯＣ）和直接转矩控制（Ｄｉｒｅｃｔ Ｔｏｒｑｕｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ，简称 ＤＴＣ）。ＦＯＣ 基于转子磁场定向，而 ＤＴＣ 基于定子磁场定向。虽然这两种控制策略的控 制规则不同，但其最终目标是相同的，即无论电机或 负载参数及外界扰动如何变化，通过对电机转矩和
（Ｈａｎｇｚｈｏｕ Ｄｉａｎｚｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１００１８，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｉｅｓ ｏｆ Ｆｉｅｌｄ－Ｏｒｉｅｎｔｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ（ＦＯＣ）ａｎｄ Ｄｉｒｅｃｔ Ｔｏｒｑｕｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ（ＤＴＣ）ｆｏｒ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ（ＰＭＳＭ） ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｉｎ ｂｒｉｅｆ．ＦＯＣ ｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｒｏｔａｔｏｒ ｆｉｅｌｄ－ｏｒｉｅｎｔｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｄｅａ ｏｆ ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ．Ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ ｃｕｒｒｅｎｔ ｉｓ ｄｅｃｏｕｐｌｅｄ ｉｎｔｏ ｔｏｒｑｕｅ ａｎｄ ｍａｇｎｅｔｉｚｅｄ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｎｄ ｄｉｖｉｄｕａｌｌｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｆｏｒ ｈｉｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．ＤＴＣ ｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｔａｔｏｒ ｆｉｅｌｄ－ｏｒｉｅｎｔｅｄ ａｎｄ ｉｔｓ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｏｂｊｅｃｔ ｉｓ ｔｏｒｑｕｅ．Ｔｈｅ ｉｄｅａ ｏｆ ＤＴＣ ｃａｎ ｂｅ ｅｘｐｒｅｓｓｅｄ ａｓ：ｏｂｓｅｒｖｉｎｇ ｔｏｒｑｕｅ ａｎｄ ｆｌｕｘ ｌｉｎｋａｇｅ，ｗｉｔｈ Ｂａｎｇ－Ｂａｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ａｎｄ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｔａｂｌｅ，ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｔｈｅ ｓｔａｔｅ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｉｎｖｅｒｔｅｒ，ｏｕｔｐｕｔｔｉｎｇ ｐｒｏｐｅｒ ｖｏｌｔａｇｅ ｓｐａｃｅ ｖｅｃｔｏｒ，ｔｈｅｎ ｒｅａｌｉｚｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｏｒｑｕｅ ａｎｄ ｆｌｕｘ ｌｉｎｋａｇｅ．Ａｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ ａｎｄ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｐｏｗｅｒ ｍｏｄｕｌｅ（ＩＰＭ）ｉｓ ｓｅｔ ｕｐ．Ｐｒｉｍａｒｙ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ａｒｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｆｏｒ ｔｈｅｓｅ ｔｗｏ ｔｈｅｏｒｉｅｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ＤＴＣ ｈａｓ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ａｓ ＦＯＣ，ｂｕｔ ｔｈｅ ｒｉｐｐｌｅｓ ｏｆ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｎｄ ｔｏｒｑｕｅ ａｒｅ ｓｏ ｏｂｖｉｏｕｓ． Ｋｅｙｗｏｒ ｄｓ： ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｍｏｔｏｒ；ｆｉｅｌｄ－ｏｒｉｅｎｔｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｔｏｒｑｕｅ ｃｏｎｔｒｏｌ
［３］ 李 夙．异步电动机直接转矩控制［Ｍ］．北京：机械工业出 版社，１９９４．
［４］ Ｚｈｏｎｇ Ｌ，Ｒａｈｍａｎ Ｍ Ｆ，Ｈｕ Ｙ Ｗ，ｅｔ ａｌ．Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｄｉｒｅｃｔ Ｔｏｒｑｕｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ Ｄｒｉｖｅｓ ［Ｊ］． ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ ＰＥ，１９９７，１２（３）：５２８～５３５．
ｉｄ＝０ 时矢量控制结构框图。
图 ３ 永磁同步电机 ＤＴＣ 系统框图
３ 实验与分析
为了比较这两种控制策略的控制性能，搭建了 一个硬件系统实验平台，图 ４ 示出硬件结构框图。采 用电机控制专用芯片 ＤＳＰ－ ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ 作为主 控芯片，其工作频率高达 ４０ＭＨｚ，内部有两个事件
管理器，有 ＰＷＭ 信号产生模块、ＡＤ 转换模块和正
交脉冲信号输入电路等。主电路的逆变器部分采用
ＰＭ３０ＣＳＪ０６０ 型 ＩＰＭ 模块，最高工作电压 ６００Ｖ，最
大工作电流 ３０Ａ，开关频率高达 ２０ｋＨｚ。相电流和母
图 ２ 永磁同步电机矢量控制框图
２．２ 直接转矩控制 ＤＴＣ［３， ４］ ＤＴＣ 是基于定子磁场定向的，通过观测转矩和
磁链的实际值，并分别与转矩和磁链的参考值作滞
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（上接第 ９ 页）压出现突变时装置的补偿效果。图 １１ 设计研制了一台 ＤＣＩ－ＵＰＱＣ 实验样机。实验结果表
示出系统电压突变跌落时的补偿效果。对比图 １１ａ 明，样机具有电压稳态和动态补偿功能，可有效抑制
图 ５ 和图 ６ 分别示出 ＦＯＣ 和 ＤＴＣ 带负载启动 ２７
第 ４１ 卷第 １ 期 ２００７ 年 １ 月
的实验波形。速度给定为 １０００ｒ／ｍｉｎ。
图 ５ 永磁同步电机 ＦＯＣ 实验波形
电力电子技术
Ｖｏｌ．４１， Ｎｏ．１
Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
Ｊａｎｕａｒｙ， ２００７
比较两图可见，ＤＴＣ 的动态响应性能与 ＦＯＣ 差
第 ４１ 卷第 １ 期
电ｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
永磁同步电机两种磁场定向控制策略的比较
林伟杰
（杭州电子科技大学，浙江 杭州 ３１００１８）
Ｖｏｌ．４１， Ｎｏ．１ Ｊａｎｕａｒｙ， ２００７
摘要： 简要分析了永磁同步电机（Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ，简称 ＰＭＳＭ）矢量控制和直接转矩控制
论分析的正确性和装置拓扑的有效性。
图 １１ 系统电压突变时补偿的波形图
６结论
直流隔离单元是一种新型电气结构，其主要功 能是进行电气隔离和能量传递，可应用于现有的 ＦＡＣＴＳ 和 ＤＦＡＣＴＳ 设备中，以代替变压器隔离方 案，避免变压器所带来的不利影响。本文对 ＤＣＩ 单 元电气隔离和传送能量的工作原理进行了定量的理 论分析。在此基础上，对基于 ＤＣＩ 单元的 ＵＰＱＣ 从 能量流动的角度进行了讨论，根据 ＵＰＱＣ 以及电力 电子装置的特点设计了先进的 ＤＳＰ 数字控制器，并
子磁链控制的目的。以 ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ 为控制芯片，并采用智能功率模块，搭建了实验平台，对这两种控制策略的
初步实验测试结果表明，直接转矩控制的动态响应特性与矢量控制相差不大，但存在明显的电流和转矩波动。
关键词： 永磁电机；矢量控制；转矩控制
中图分类号： ＴＭ３０１．２；ＴＭ３５１
文献标识码： Ａ
补偿前电压 ｕｓｙｓ 和补偿后电压 ｕｃｏｍ，并由图 １１ｂ 补偿 后的负载电流 ｉｌｏａｄ 和谐振电流 ｉＬｒ 可见，ＵＰＱＣ 有效 抑制了电压突变对负荷造成的影响。
供电电压故障对负荷的影响。同时实验样机可有效 提供负荷所需要的无功电流，吸收负荷所产生的谐 波电流并对动态负荷进行补偿。实验结果验证了理
（８）
由式（８）可知，通过控制 !ｓ 的幅值和 & 即可实 现对转矩的控制。
考虑凸极式 ＰＭＳＭ，若忽略凸极效应，可以认为
Ｌｄ＝Ｌｑ，则转矩为：
Ｔｅ＝
３ ２
ｐ"ＰＭｉｑ
（４）
因 ｐ 和 "ＰＭ 为恒定值，故 Ｔｅ 只 ｉｑ 的影响。实际
操作时，通过实时检测定子绕组电流和转子位置角
度，根据派克变换原理，计算得到 ｉｄ 和 ｉｑ。由 ｉｄ 控制 定子磁链的幅值，ｉｑ 控制电机转矩的大小，从而使电 机表现出如直流电机的外部特性。图 ２ 示出 ＰＭＳＭ的
"ｄ，"ｑ—— —磁链 ｄ，ｑ 轴分量
Ｌｄ，Ｌｑ—— —电感 ｄ，ｑ 轴分量 Ｒｓ—— —定子电阻
磁链方程表示为：
%"ｄ＝Ｌｄｉｄ＋"ＰＭ
"ｑ＝Ｌｑｉｑ
（２）
式中 "ＰＭ—— —转子永磁体励磁链过定子绕组的磁链
转矩方程表示为：
Ｔｅ＝
３ ２
（ｐ "ｄｉｑ－
"ｑｉｄ）＝
３ ２
ｐ &"ＰＭｉｑ＋（Ｌｄ－
Ｌｑ）ｉｄｉｑ
在 # ，$ 坐标系下，ＰＭＳＭ的定子磁链为：
( !ｓ＝ )Ｕｓ－ Ｒｓ Ｉｓ *ｄｔ
（５）
式中 Ｕｓ，Ｉｓ—— —定子电压和电流矢量
若忽略 Ｒｓ 的影响，那么定子磁链可以表示成定
子电压的积分形式：
( !ｓ＝ Ｕｓｄｔ
（６）
即通过选择不同的定子电压空间矢量，即可方便地
图 ４ 系统硬件框图
实验所用 ＰＭＳＭ 的主要参数为：额定电压 ＵＮ＝ ２２０Ｖ，额定电流 ＩＮ＝５Ａ，Ｒｓ＝０．９７５"，ｐ＝４，%ＰＭ＝０．２Ｗｂ， Ｊ＝１．０×１０－３ｋｇ·ｍ２。光电编码器输出为 ２５００ 脉冲／转。 系统采样周期为 １００#ｓ。
器，采用 ＩＰＭ 模块，搭建了系统实验平台。实验结果 表明，直接转矩控制与矢量控制的动态响应特性差
别不大，但是，直接转矩控制存在较为明显的电流和
转矩波动。
参考文献
图 ６ 永磁同步电机 ＤＴＣ 实验波形
［１］ 唐任远．现代永磁电机理论与设计［Ｍ］．北京：机械工业出 版社，１９９７．